Исследование свойств фоторезисторов

Исследование свойств фоторезисторов. Цель работы - исследование основных характеристик фоторезисторов 1 определение зависимости величины сопротивления от освещенности 2 получение вольтамперных характеристик при различных значениях освещенности 3 определение зависимости фототока от величины освещенности 4 определение интегральной чувствительности. 1. Краткие сведения из теорииФоторезистором называется полупроводниковый резистор, сопротивление которого изменяется под действием оптического излучения.

Работа некоторых полупроводниковых элементов основана на использовании фотоэлектрического эффекта - явления взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия фотонов передается электронам вещества.

В твердых и жидких полупроводниках различают внешний и внутренний фотоэффекты.

В первом случае поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов из вещества.

Во втором - электроны, оставаясь в веществе, переходят из заполненной энергетической зоны в зону проводимости, обуславливая появление фотопроводимости. В газах фотоэффект состоит в ионизации атомов или молекул под действием излучения. Внутренний фотоэффект, возникающий в паре из электронного и дырочного полупроводников, понижает контактную разность потенциалов, выполняя непосредственное преобразование электромагнитного излучения в энергию электрического поля, что используется в фотодиодах, фототранзисторах.

Наиболее ярко внутренний фотоэффект выражен в таких полупроводниковых материалах как селен, германий, кремний, различные селенистые и сернистые соединения таллия, кадмия, свинца и висмута. Из этих материалов изготавливают фотоэлементы и фоторезисторы. В отсутствие облучения фоторезистор обладает некоторым большим сопротивлением Rт, которое называется темновым.

Величина темнового сопротивления определяется температурой и чистотой полупроводника. При приложении к фоторезистору разности потенциалов в цепи возникает ток I Iо Iф, 4.1 где Iо - темновой ток, Iф - фототок. Зависимость фототока от освещенности светового потока называется световой характеристикой рис. 4.1 . Фоторезисторы обладают линейной вольтамперной характеристикой, получаемой при неизменной освещенности Е рис. 4.2 . Основным параметром фоторезисторов является интегральная чувствительность, под которой понимают отношение фототока к вызвавшему его появление световому потоку белого немонохромного света и приложенному напряжению 4.2 где S - облучаемая площадь фоторезистора, Gф - фотопроводимость световой поток. Интегральная чувствительность выражается в микро- или миллиамперах на вольт-люмен мкА Влм, мА Влм. С ростом освещенности величина интегральной чувствительности уменьшается, так как световая характеристика Iф E имеет зону насыщения.

Недостатками фоторезисторов являются значительная зависимость сопротивления от температуры, характерная для полупроводников, и большая инерционность, связанная с большим временем рекомбинации электронов и дырок после прекращения облучения. Постоянная времени различных типов фоторезисторов колеблется в пределах 410-5 310-2 с. Так, для фоторезисторов марок ФС-КО, ФС-К1 210-2 с, для ФС-А1 - 410-2 с. Это ограничивает быстродействие и затрудняет контроль быстрых изменений освещенности в приборах с фоторезисторами рис.4.3 . 2. Описание экспериментальной установкиФоторезистор рис. 4.4 состоит из диэлектрической пластины 1, на которую нанесен слой светочувствительного полупроводникового вещества 2. С противоположных сторон этого слоя укреплены электроды 3. Для защиты от механических воздействий фоторезистор запрессовывается в пластмассовую оправу с прозрачным окном, штырьки которой соединены с его электродами.

В лабораторной установке фоторезистор располагается внутри темновой камеры на специальной панели.

Рядом размещается фотоэлемент, являющийся датчиком люксметра - прибора, измеряющего освещенность. В противоположном конце камеры на одинаковом расстоянии от фоторезистора и фотоэлемента помещен источник света с регулируемым световым потоком.

Ручка регулятора потока расположена на лицевой панели установки. Там же указаны облучаемая площадь и темновое сопротивление фоторезистора. Для измерения сопротивления и тока фоторезистора используется универсальный цифровой вольтметр.

Вольтамперные характеристики снимают по схеме рис. 2.5. 3. Порядок проведения работы.3.1 Определение зависимости сопротивления фоторезистора от освещенности. Подготовить цифровой вольтметр к измерению сопротивлений, для чего переключатель рода работ установить в положение R , предел измерения - 10 мОм. Подключить цифровой вольтметр к клеммам фоторезистора, расположенным на правой боковой панели лабораторной установки. Подать напряжение на стенд, переведя тумблер питания, расположенный на лицевой панели, в положение Вкл. Изменяя освещенность регулятором на лицевой панели в соответствии со значениями в табл. 4.1, измерить и занести в табл. 4.1 сопротивление фоторезистора.

Таблица 4.1 E лк 0 5 10 25 50 75 100 125 150 R мОм Rт Rт R - 3.2 Снятие семейства вольтамперных характеристик фоторезистора. Собрать схему в соответствии с рис. 2.5. Подготовить цифровой вольтметр к измерению тока, для чего переключатель рода работ поставить в положение мкА , предел измерения 100 . Установить освещенность Е 10 лк. Изменяя напряжение на выходе источника постоянного напряжения от 0 до 30 В через 5 В , измерить и занести в табл. 4.2 значения тока через фоторезистор.

Повторить опыт при значениях освещенности 15, 25 лк. Темновой ток при Е 0 рассчитать по закону Ома Таблица 4.2 E 0 Е 10 лк Е 15 лк Е 25 лк U Io I Iф Sи I Iф Sи I Iф Sи В мкА мкА мкА мкА лмВ мкА мкА мкА лмВ мкА мкА мкА лмВ 0 30 3.3 Определение зависимости интегральной чувствительности фоторезистора от величины освещенности.

Зависимость Sи E определяется по схеме предыдущего опыта при неизменном значении напряжения U 25 В. Результаты опыта и расчетов занести в табл. 4.3. Таблица 4.3 E лк 0 10 20 40 60 80 100 120 150 I мкА Iф мкА Sи мкА лмВ 4. Оформление отчета1. Привести схемы экспериментальных установок, данные измерительных приборов и исследуемого фоторезистора. 2. Оформить таблицы с результатами измерений и вычислений. При расчетах использовать формулы 4.1 , 4.2 . 3. Построить графики R E , Sи E и семейство ВАХ U I фоторезистора при освещенностях Е 10, 15, 25 лк. 4. Сделать краткие выводы по результатам проведенных исследований.

Контрольные вопросы1. Что такое фоторезистор, из каких материалов его изготавливают? 2. Чем обусловлена фотопроводимость полупроводников? 3. В чем отличие между внутренним и внешним фотоэффектом? 4. Что такое темновое сопротивление, от чего зависит его величина? 5. Что понимают под интегральной чувствительностью фоторезистора? 6. Что такое световая характеристика? В чем причина ее нелинейности? 7. Почему ВАХ фоторезистора при постоянной освещенности линейна? 8. В чем основные недостатки фоторезисторов? Работа 6.